Verwendung von physiologischen Signalen in Schaltungssimulationen

Als Ingenieursdienstleister im Bereich Medizintechnik kommen wir nicht darum herum, mit physiologischen Signalen wie beispielsweise EKG zu arbeiten. Wie dieses auf die eine oder andere Schaltung wirkt, wollen wir oft näher betrachten.

Für die Simulation unserer Schaltungen verwenden wir unter anderem das Programm LTspice® von Analog Devices (früher Linear Technology).

LTspice ist ein kostenloses Simulations-Tool für elektrische bzw. elektronische Schaltungen. Dieses bietet eine Reihe an Möglichkeiten für die Signalerzeugung, zeitliche Messung von Spannungen und Strömen und auch die Simulation von Amplituden- und Phasengängen (auch als Bode-Diagramm bekannt).

Wie genau die Implementierung eines physiologischen Signals in LTspice funktioniert, soll anhand des Beispiels eines EKG-Signals in diesem Artikel näher beleuchtet werden.

In LTspice gibt es die Möglichkeit, ein beliebiges Signal als sogenanntes PWL-Signal (Englisch: piecewise linear function – zu Deutsch: stückweise lineare Funktion) darzustellen. Dabei werden beliebige Spannungswerte einem eindeutigen Zeitpunkt zugewiesen. Um die Funktionsweise von PWL zu verstehen, nehmen wir folgendes Beispiel:

Zum Zeitpunkt t = 0 Sekunden weisen wir den Wert 0 Volt zu, zum Zeitpunkt t = 1 Sekunde den Wert 2 Volt und so weiter. Werfen wir einen Blick darauf, wie dieses Signal im zeitlichen Verlauf aussieht:

Wir erhalten ein trapezförmiges Signal, das eine Sekunde lang linear auf 2 Volt ansteigt, eine Sekunde auf 2 Volt bleibt und eine Sekunde lang auf 0 Volt linear abfällt.

Nach diesem Prinzip können wir nun jedes beliebige Signal mittels der PWL-Funktion in LTspice erzeugen. Bei physiologischen Signalen ist es in diesem Fall einfacher, sich entsprechender Quellen wie z. B. https://physionet.org/ zu bedienen.

Das, was wir von dort benötigen, ist in dem Fall die .txt-Datei, welche die Wertepaare für die Spannungen bzw. zugehörigen Zeitpunkte beinhaltet. Um diese in LTspice verwenden zu können, muss diese folgendermaßen formatiert werden:

Die Datei muss zwei Spalten beinhalten, die durch ein Leerzeichen getrennt sind. Die Spalte links beinhaltet die Zeitpunkte, die Spalte rechts die Werte der Spannungen. Das „m“ hinter der Zahl ist der Einheitenvorsatz „milli“. „80m“ bedeutet also 80 ms, „1.5m“  1,5 mV und so weiter.

Um diese Wertepaare nun verwenden zu können, öffnen wir LTspice und erzeugen zunächst einen Schaltplan wie in der folgenden Abbildung:

Als nächstes machen wir einen Rechtsklick auf die Spannungsquelle (um die Einstellungen zu öffnen), woraufhin folgendes Fenster erscheint:

Wir klicken auf „Advanced“ und dieses Fenster erscheint:

In diesem wählen wir den Punkt „PWL FILE:“ aus und geben das Verzeichnis von unserer vorhin angelegten .txt-Datei an und bestätigen das mit „OK“.

So sollte das Ganze zunächst aussehen. Zum Starten der Simulation klicken wir oben links auf das schwarze Männchen.

Es öffnet sich ein weiteres Fenster. Wir müssen nur noch den Parameter „stop time“ (die Simulationsdauer in Sekunden) eingeben und mit „OK“ bestätigen.

Unser PWL-Signal wird genau einmal wiederholt:

Um unser Signal mehrmals zu wiederholen, machen wir einen Rechtsklick auf die PWL-Anweisung im Schaltplan und es öffnet sich dieses Fenster:

Nun klammern wir die gesamte Anweisung ein und schreiben

PWL repeat for X (PWL file = “ *Dateipfad* “) endrepeat

Wobei X für die Zahl der Wiederholungen steht, z. B. 2. Das sieht dann so aus:

Nun wird unser Signal zweimal wiederholt. Wenn wir jedoch eine unendlich lange Wiederholung unseres Signales haben möchten, dann ändern wir die PWL-Anweisung zu:

PWL repeat forever (PWL file = “ *Dateipfad* “) endrepeat

Unser Signal wird nun unendlich oft wiederholt.

Damit wissen Sie nun, wie Sie physiologische Signale, wie z. B. ein EKG, in LTspice einbinden und Ihre Schaltungen simulieren bzw. testen können.

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Gleb Shenkerman arbeitete als Werkstudent bei MEDtech Ingenieur. Seine Aufgabengebiete umfassten die Simulation von Schaltungen in LTSpice und deren Aufbau.

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